Hasta ahora, hemos explicado cuáles son las distintas partes que componen el alerón delantero y cuál es su funcionamiento global. Con este artículo vamos a dar un paso más y vamos a analizar el diseño aerodinámico del alerón delantero que emplean los monoplazas de 2020. Para ello, nos vamos a apoyar en la normativa de la competición, que define las geometrías fundamentales de todo el vehículo.
En el esquema general del monoplaza que mostramos a continuación se indican algunas de las dimensiones fundamentales de referencia. En nuestro caso, son de especial interés la FWCL (Front Wheel Center Line o Línea Central de la Rueda Delantera) y el plano de referencia (Reference Plane).
Una vez mencionados estas referencias, podemos centrarnos en el alerón delantero, más en concreto en la sección de control.
Como comentamos en el artículo sobre las partes del alerón delantero, la sección de control es la zona central del plano principal, cuyo diseño es común a todos los equipos. Esta sección debe estar ubicada 450 mm por delante del FWCL, tener un ancho de 500 mm y estar a una altura menor de 125 mm por encima del plano de referencia.
El perfil aerodinámico utilizado en esta sección, sus coordenadas, ubicación y ángulo de ataque vienen también definidos por la normativa. Se puede observar que el borde de fuga debe estar a una altura de 86.65 mm respecto del plano de referencia.
Empleando estas coordenadas que nos proporciona la FIA, podemos obtener la forma del perfil de la sección de control. En este punto, os recomendamos que, si aún no lo habéis hecho, leáis nuestro artículo sobre el diseño de los perfiles aerodinámicos. De las coordenadas proporcionadas, se obtiene una cuerda de 239.41 mm, un espesor máximo de 43.31 mm y un espesor mínimo de 3.86 mm. Es evidente que el perfil presenta un ángulo de ataque positivo de 4.37 grados, por lo que su borde de ataque está más elevado que su borde de fuga. Por último, vemos que no existe línea de curvatura, es decir, el perfil es simétrico.
Una vez que conocemos la forma de la sección de control, podemos analizar sus características aerodinámicas. Para ello, vamos a intentar compararlo con un perfil aerodinámico cuyos parámetros sean conocidos. El primer paso que debemos realizar es rotar el perfil respecto del ángulo de ataque. A continuación, empleando la página AirfoilTools y realizando una comparativa de formas, se obtiene que el perfil que más se asemeja es el NACA0018. En la figura siguiente mostramos la comparativa.
Asumiendo que ambos perfiles tendrán el mismo comportamiento aerodinámico (lo que no es completamente cierto), es posible conocer los coeficientes adimensionales para el ángulo de ataque dado. El estado del flujo se define a partir del número de Reynolds (Re), entre otras variables que no tratamos aquí. Los valores que tomamos como referencia son un perfil de cuerda unitaria y la viscosidad cinemática correspondiente al aire en condiciones normales de temperatura y presión. Se obtiene un número de Reynolds de 1000000, valor característico para el análisis de perfiles aerodinámicos y aerodinámica vehicular. Para esos valores, tenemos los siguientes datos de los coeficientes adimensionales. Procedemos a explicarlos paso a paso.
Recordamos que, de la normativa, el ángulo de ataque (alpha o α) es de 4.3 grados. Por ello, de las gráficas superiores, entrando desde el eje horizontal (abscisas) con un valor de 4.3 grados, se obtiene:
- De la gráfica superior derecha, donde se representa el Cl respecto del ángulo de ataque, un Cl=0.4.
- De la gráfica inferior derecha, donde se representa el Cd respecto del ángulo de ataque, un Cd=0.007.
- De la gráfica inferior izquierda, donde se representa Cl/Cd (rendimiento aerodinámico) respecto del ángulo de ataque, un Cl/Cd=60.
Aquí vemos que este tipo de perfil aerodinámico tiene un rendimiento de 60. Es decir, genera 60 veces más lift que drag. Cabe recordar que estos valores son aproximados y que no se está teniendo en cuenta otros efectos como la proximidad de un alerón real al suelo.
¿Significa esto que nuestro alerón genera sustentación y no carga aerodinámica? No. No olvidemos que estamos estudiando el alerón aislado, flotando en el aire. Es más, hasta ahora sólo hemos considerado la sección de control, no el alerón en su totalidad (flaps, endplates…). Y lo más importante, no hemos hablado del efecto suelo, que es lo que genera la mayor parte de la carga aerodinámica del alerón. Al estar en la realidad tan próximo al suelo, el aire que pasa por debajo se acelera, produciendo una disminución de la presión, tal y como dice Bernoulli.
En definitiva, el alerón colocado en el monoplaza generará downforce, pero la sección de control nos ha servido para explicar cómo trabajan los perfiles aerodinámicos en los alerones de un monoplaza.
Por otro lado, el desarrollo lateral de la sección se retrasa, dando lugar a un alerón en forma de flecha, con un ángulo de 11 grados. Esta configuración es conocida como “swept wing”. Posiblemente hayáis observado que las alas de los aviones también tienen esta forma de flecha, es decir, su punta está más atrasada que su unión al resto del fuselaje. Esto se debe a que, al volar a velocidades muy elevadas, el flujo de aire puede superar la velocidad del sonido, provocando pérdidas. En el caso de los monoplazas, obviamente no se alcanzan esas velocidades, por lo que no comparten la misma función que en los aviones.
Este diseño de “swept wing” fue propuesto por el aerodinamicista alemán Adolf Busemann. La idea principal de dicha forma de ala es la de mejorar el flujo incidente sobre la superficie del ala.
En la figura anterior se aprecia la configuración de los vectores de velocidad. Se observa que el vector de velocidad relativa (Urel) es más corto que el vector de velocidad del viento incidente (Uinf). ¿Qué significa esto? Que el downforce que proporciona este alerón en forma de flecha será algo menor que el de un alerón totalmente recto. Sin embargo, es posible inferir de forma atrevida que, en casos en los que el automóvil reciba vientos laterales o con un ángulo de guiñada cercano a los 11 grados, el funcionamiento será mejor que el tradicional. Esto ocurrirá en las curvas, donde, de esta forma, se aumentará el downforce generado.
Referencias:
[1] FIA, Regulations. Online: https://www.fia.com/regulation/category/110
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